基于准Z源DC-DC变流器的拓扑研究

发布时间：2020-07-26 11:18

【摘要】：在传统能源日益匮乏和环境危机日益突显的双重背景下,开关电源的快速发展为新能源技术的应用及推广提供了有力的支持。如今,随着人们环保意识的逐步提高,再加上有关政策在电动汽车、分布式电源等领域中积极推行,直流电源在工业生产和居民日常生活中扮演着不可或缺的角色。而DC-DC变流器作为直流电源和负载之间的衔接点,成为本领域长盛不衰的研究热点。因此,研究一种电路结构简单、性能优异、经济性好的DC-DC变流器具有重要的理论意义和较大的实用价值。目前,DC-DC变流器主要存在升压因子较小,电容器电压应力较高、电压调节范围有限等缺陷。当前新型的准Z源DC-DC变流器可以克服以上问题,表现出良好的工作性能。本文以准Z源DC-DC变流器为基础,将重点放在主电路的拓扑研究上,从输出端口和阻抗源网络两个方面进行改进,分别提出准Z源DC-DC双输出变流器和改进型准Z源DC-DC变流器。该两种变流器均保留了准Z源网络,继承了准Z源变流器的所有优点,满足当下对电源小型化、输出多元化的需求。参照准Z源变流器分析方法,分析、研究新拓扑结构的工作原理、控制方法、工作性能。列写出不同状态下的等效电路图对应的表达式,并推导出升压因子、电容器电压和开关器件两端电压。以双输出变流器为例,对准Z源网络采用状态平均法和扰动法完成小信号建模,分析网络器件参数对其静态性能和动态性能的影响,可为选取合适的器件参数提供参考,实现双输出功能。以改进型变流器为例,分别从升压能力、电容器电压应力、电感纹波电流、开关电压应力四个性能方面,与传统Z源变流器及准Z源变流器进行对比。使用Matlab软件直观地表现出三个拓扑之间的差异,验证改进型变流器具有显著优势。然后,通过在改进型变流器上串联单元模块的方式,探索研究了延展型准Z源变流器,得出单元模块不能无限增加以及适宜增加数量的结论。最后,分别对两个变流器完成了实验样机的搭建,测试样机在不同导通占空比下的实验数据,并与理论值进行比较。在误差允许的范围内,证明了两个变流器的可行性以及理论分析、推导公式的正确性。
【学位授予单位】：山东科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM46
【图文】：

燃料电池,太阳能,变流器

出的直流电，经过ＤＣ－ＤＣ变流器完成电压等级的转变，再次得到的直流电可与逡逑辅助蓄电池设备搭配储存电能，或经ＤＣ－ＡＣ逆变器输出交流电，流向交流负载逡逑或并入公共电网［｜（）】，如图１．２所示。逡逑－＾ｆｒ－ｌ逦丨邋——邋Ｍ逡逑太阳能电池逦」＿升压ＤＣ－ＤＣ逦ＤＣ－ＡＣ邋负荷或逡逑或燃料电池逦一ｆ逦变流器逦一｜一逦变流器邋电网逡逑辅助电池逡逑设备逡逑图１．２典型太阳能或燃料电池升压供电图逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｔｙｐｉｃａｌ邋ｓｏｌａｒ邋ｏｒ邋ｆｕｅｌ邋ｃｅｌｌ邋ｂｏｏｓｔ邋ｐｏｗｅｒ邋ｓｕｐｐｌｙ邋ｄｉａｇｒａｍ逡逑由上图得出，单个变流器升压因子较小致使输出电压调节范围有限。为了逡逑满足电压等级提升，就必须考虑引入额外电路的方法，同时由于死区时间的存逡逑在，使得电路结构更为复杂化，便会大大降低其工作效率［１１］。或者通过级联变逡逑流器的方式来提高电压等级，但电源会因该类变流器级联模块的增多而降低其逡逑可靠性Ｉ１２】。显然，输出电压偏低己成为制约新能源发展的重要因素，ＤＣ－ＤＣ变逡逑流器作为直流电源与负载之间重要衔接点，成为本领域长盛不衰的研宄热点。逡逑研宄一种电路结构简单、性能优异、经济性好的ＤＣ－ＤＣ变流器具有重要的理论逡逑意义和较大的实用价值。逡逑１．２开关电源概述逡逑随着现代科学技术不断完善和国民经济飞速发展，电力电子技术迎来了蓬逡逑勃发展的新时代。各类电力半导体器件的成功研制与投入应用

直接型,变流器

图１．３四种直接型变流器逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｆｏｕｒ邋ｄｉｒｅｃｔ邋ｔｙｐｅ邋ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ逡逑如图１．３邋（ａ）所ｔｋ，降压式变流器（ＢｕｃｋＣｏｎｖｅｒｔｅｒ）是一种非隔离电路，逡逑它的输出端与输入端电压的比值为导通占空比Ｄ，￡＞邋一般取值小于１，即实现降逡逑压功能；而如图１．３邋（ｂ）升压式变流器（ＢｏｏｓｔＣｏｎｖｅｒｔｅｒ）同样也是一种非隔离逡逑电路，它的输出端与输入端电压的比值为１／Ｚ），即实现升压功能。但占空比Ｄ逡逑不能无限小，升压能力有限［１７］。如需更高增益的输出电压，就需要多串联一级逡逑电路，开关电源转换效率将大大降低。Ｂｏｏｓｔ变流器电路中的器件和Ｂｕｃｋ变流逡逑器一样，功能都比较单一，区分它们的方法仅仅在于两者对应的电路结构不同。逡逑如图１．３邋（ｃ）升降压式变流器（Ｂｕｃｋ－ＢｏｏｓｔＣｏｎｖｅｒｔｅｒ）在全控型开关Ｓ处于通逡逑４逡逑

电路拓扑,变流器

断状态存在两种等效电路，根据能量守恒定律求得输出端与输入端电压的比值逡逑为Ｄ／（ｌ－Ｄ）。通过改变占空比Ｄ，输出端电压既可以比输入端电压高也可以低，逡逑即实现升降压功能。如图１．３邋（ｄ）库克式变流器（Ｃｕｋ邋Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）与升降压变逡逑流器原理类似【１８－１９］，不再详细介绍。４种传统ＤＣ－ＤＣ变流器的工作性能优缺点逡逑对比，在表１．２中详细列出。逡逑表１．２直接型变流器对比逡逑Ｔａｂ．邋１．２邋Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ邋ｏｆ邋ｖａｒｉｏｕｓ邋ｔｙｐｅｓ邋ｏｆ邋ｃｈｏｐｐｅｒ邋ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ逡逑电路类型邋升压因子逦优点逦缺点逡逑只能实现降压变换，功能逡逑结构简单，容易控制，成单一；输入电流不连续：逡逑本低；电路器件应力小。输出电流纹波较大，需要逡逑较大的滤波器消除纹波。逡逑．．＾邋．逦１逦结构简单，容易控制，成逡逑升压式逦，逦只能实现升压变换。逡逑１－Ｄ逦本低；电路器件应力小。逡逑电路器件电压应力较高；逡逑ｆｉｉ＆ｒｒ—逦Ｄ逦－ｒ＾ｉｎｉＬｉｒ＾ｒｒ逦输入电流不能连续；输出逡逑升降压式逦可实现升降压。逦士江口＃邋口＆ｍ逡逑＼－Ｄ逦与输入电压反相

【参考文献】